王永琪 孫曉霞 孟文俊，2 翟義英

1太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 太原 030024 2山西能源學(xué)院 太原 030619 3山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 太原 030024

0 引言

帶式輸送機(jī)是重要的輸送物料運(yùn)輸設(shè)備，廣泛應(yīng)用于煤礦、港口、礦山等輸送量要求巨大的地方，是我國輸送領(lǐng)域中至關(guān)重要的一環(huán)。托輥在整個(gè)輸送機(jī)系統(tǒng)中是使用、更換頻率最高的部件。隨著企業(yè)對(duì)輸送量和輸送要求的逐步提升，輸送機(jī)對(duì)托輥的需求量也逐漸增高，亟需研究托輥能耗更少，磨損量更低，使用壽命更長的新型托輥。

1 新型托輥發(fā)展情況

眾多領(lǐng)域?qū)W者在新型托輥研究方面已經(jīng)做出了很多研究。唐葆霖等[1]對(duì)未來煤炭開采輸送進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展及展望。劉錦等[2，3]介紹了高分子材料相較鋼制托輥的優(yōu)劣性能，探討了不同工況下的不同高分子的發(fā)展方向。于玉真等[4-7]應(yīng)用Workbench、Simulation、Abqus和Pro/E等軟件對(duì)軸承座及其管體研究了應(yīng)力和變形分析，李振杰等研究在生產(chǎn)時(shí)采用特殊處理，增加托輥壽命。李畢等[8，9]對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行阻力的方法進(jìn)行了研究。楊言[10]研究了聚氨酯材料作為輥皮對(duì)托輥整體的影響。

本文采用市面上一種應(yīng)用廣泛的非金屬高分子材料聚氨酯作為托輥輥皮與傳統(tǒng)鋼制托輥進(jìn)行對(duì)比研究，通過靜態(tài)、動(dòng)態(tài)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，將鋼制托輥與高分子托輥的優(yōu)劣進(jìn)行闡述，為下一步的壓線阻力分析、磨損狀況、旋轉(zhuǎn)阻力等研究提供理論依據(jù)。

2 托輥參數(shù)理論計(jì)算

通過計(jì)算托輥的靜載荷、承受壓力、加載面積，結(jié)合設(shè)計(jì)手冊(cè)查找相關(guān)托輥系數(shù)，對(duì)托輥的動(dòng)、靜載荷，托輥軸承載壓力進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)用到仿真分析軟件中，對(duì)下一步仿真工作做準(zhǔn)備。

1）托輥靜載荷

式中：qG為輸送物料的重力，qG＝87 kg/m；qB為輸送帶自重，qB＝15 kg/m；e為托輥載荷系數(shù)(取上托輥為0.8，下托輥為1)；a0為托輥間距，a0＝1.2 m；K1、K2為物料系數(shù)（取3托輥組K1、K2＝0.7）；g為重力加速度，g＝9.81 m/s2。

2）托輥承受的壓力

3）加載面積

式中：r為托輥半徑，L為托輥長度。

4）帶速選擇

托輥參數(shù)如表1所示，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇托輥轉(zhuǎn)速，帶速為2 m/s。

表1 托輥參數(shù)

5）動(dòng)載荷

式中：fa為工況系數(shù)，fa＝1.1；fs為沖擊系數(shù)，fs＝1.06；fd為運(yùn)行系數(shù)，fd＝1。

6）托輥軸載荷

查設(shè)計(jì)手冊(cè)可知傳統(tǒng)鋼制托輥質(zhì)量為6.3 kg，高分子托輥質(zhì)量約為傳統(tǒng)鋼制托輥的1/3左右。

7）托輥軸受鋼制托輥靜載荷

式中：mt為鋼制托輥質(zhì)量，mt＝6.3 kg。

8）托輥軸受高分子托輥靜載荷

式中：mp為高分子托輥質(zhì)量，mp＝2.1 kg。

3 靜態(tài)特性仿真分析

3.1 托輥的靜力學(xué)分析

1）托輥結(jié)構(gòu)

托輥由輥筒、輥軸、軸承座、軸承、內(nèi)密封、外密封、擋圈組成?？紤]到輥筒和軸承座是焊接而成，為保證有限元計(jì)算更加準(zhǔn)確，將托輥進(jìn)行1:1建立建模，如圖1所示。

圖1 托輥模型

2）有限元Workbench軟件分析

對(duì)材料相關(guān)系數(shù)進(jìn)行設(shè)定，材料密度為1.8 g/cm3，彈性模量為71 GPa，泊松比為0.31，材料拉伸強(qiáng)度為545.6 MPa，彎曲強(qiáng)度為482.5 MPa，最后施加邊界條件有托輥本身的重力、壓力，角速度為30.135 rad/s，網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.802 6，然后與Q235鋼制托輥?zhàn)隹傋冃魏偷刃?yīng)力對(duì)比。

3）結(jié)果分析

2種托輥的總變形云圖和曲線圖如圖2、圖3所示。鋼制托輥的總變形量為0.000 946 mm，高分子托輥的總變形量為0.002 8 mm，發(fā)現(xiàn)在變形方面，高分子托輥明顯高于鋼制托輥。

圖2 高分子托輥與鋼制托輥總變形云圖

圖3 高分子托輥與鋼制托輥的總變形曲線

聚氨酯復(fù)合高分子材料本身具有良好的彈塑性性能，能夠很好地緩解托輥及物料對(duì)托輥軸的載荷力，同時(shí)可以緩沖物料對(duì)輸送帶及托輥的沖擊損傷，延長輸送帶和緩?fù)休伒氖褂脡勖?/p>

圖4、圖5是同等壓力下2種托輥的等效應(yīng)力情況，可知高分子托輥的等效應(yīng)力為8.050 2 MPa，鋼制托輥為8.456 9 MPa。圖中看出高分子托輥的等效應(yīng)力略低于鋼制托輥的應(yīng)力，但遠(yuǎn)小于高分子材料的極限屈服應(yīng)力，說明高分子托輥在同等應(yīng)力作用下，輥皮承受的應(yīng)力更小，使得高分子托輥的使用壽命相應(yīng)延長。

圖4 高分子托輥與鋼制托輥等效應(yīng)力云圖

圖5 高分子托輥與鋼制托輥等效應(yīng)力曲線

3.2 托輥軸的靜力學(xué)分析

1）三維模型建立

托輥軸材料選定常規(guī)Q 235冷拉圓鋼，模型如圖6所示。

圖6 托輥軸模型

2）有限元分析

對(duì)于托輥軸的受載計(jì)算，本文采用極限受載法。托輥軸的主要變形集中在托輥軸中間部分，根據(jù)GB 990—1991《帶式輸送機(jī) 托輥 基本參數(shù)與尺寸》，托輥軸的許用變形量μ為總軸長L的0.2%。

式中：L為托輥軸長度，L＝412 mm。

分別對(duì)聚氨酯復(fù)合高分子托輥軸與鋼制托輥軸進(jìn)行仿真求解，2種托輥軸的總變形云圖和曲線圖如圖7、圖8所示?？梢钥闯?，托輥軸的最大變形量0.027 46 mm遠(yuǎn)小于許用變形量0.824 mm，且變形結(jié)果都是從兩端到中間，托輥軸的變形量逐漸增大，與托輥軸的橫向變形理論相符。同時(shí)可以看出高分子托輥對(duì)軸的變形影響小，由于聚氨酯材料有良好的彈性性能，所以托輥輥皮傳遞到托輥軸上的載荷力減少，使得托輥軸的變形減少，低于鋼制托輥對(duì)托輥軸施加載荷發(fā)生的變形量。表明高分子托輥對(duì)托輥軸有更少的損壞量，高分子托輥相較于鋼制托輥，能增長托輥軸更換周期，降低疲勞磨損。

圖7 托輥軸受載荷總變形云圖

圖8 托輥軸受兩種托輥載荷變形曲線

4 動(dòng)態(tài)特性仿真分析

托輥在實(shí)際運(yùn)行中，在輸送帶的帶動(dòng)下和外界因素的共同干擾下會(huì)產(chǎn)生共振，影響托輥的壽命和效率，加快托輥輥皮的磨損。故在滿足靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)高分子托輥和鋼制托輥分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。通過結(jié)構(gòu)模態(tài)分析得出托輥的固有頻率及振型，以避免托輥的振動(dòng)頻率和托輥結(jié)構(gòu)件的振動(dòng)頻率相近引起結(jié)構(gòu)共振，從而大幅降低托輥壽命。此外，通過觀察振型，可得出托輥結(jié)構(gòu)件的薄弱部位，為以后結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定理論支撐，進(jìn)一步縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期以及提高產(chǎn)品使用壽命。

圖9、圖10為高分子托輥和鋼制托輥的前六階模態(tài)變形云圖和頻率階數(shù)。可以看出鋼制托輥?zhàn)畹皖l率為50.29 Hz，最高頻率為178.85 Hz，高分子托輥?zhàn)畹皖l率為90.74 Hz，最高頻率為289.27 Hz，高分子托輥振動(dòng)模態(tài)總變形為22.556 mm，鋼制托輥振動(dòng)模態(tài)總變形為12.314 mm，高分子托輥由于其本身具有彈塑性性能，可以很好地緩解輥皮變形對(duì)軸承的壓迫，減緩軸承故障的頻率，提高軸承的使用壽命。

圖9 高分子托輥與鋼制托輥六階模態(tài)變形云圖

圖10 高分子托輥與鋼制托輥頻率階數(shù)

高分子托輥的頻率范圍比傳統(tǒng)鋼制托輥范圍更大，說明高分子托輥臨界轉(zhuǎn)速可以達(dá)到更高，更適合要求轉(zhuǎn)速高的工況下。高分子托輥能更好地避免結(jié)構(gòu)振動(dòng)，提高結(jié)構(gòu)件的使用壽命，在磨損嚴(yán)重的工況下用高分子托輥替代鋼制托輥，可降低成本。而且根據(jù)高分子托輥的固有頻率，可得出臨界轉(zhuǎn)速為5 444.4 r/min，遠(yuǎn)超發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，表明高分子托輥具有良好的動(dòng)態(tài)特性。

5 結(jié)語

1）高分子托輥的總變形程度高于傳統(tǒng)鋼制托輥，而高分子托輥軸的變形程度低于鋼制托輥軸，表明高分子材料的彈性性能可以緩沖物料對(duì)輸送帶及托輥的沖擊損傷，減少托輥輥皮傳遞到托輥軸上的載荷力，對(duì)托輥軸有更少的損壞量，可延長輸送帶和托輥的使用壽命。

2）高分子托輥的等效應(yīng)力低于傳統(tǒng)鋼制托輥的等效應(yīng)力，且遠(yuǎn)小于高分子材料的極限屈服應(yīng)力，說明在同等應(yīng)力作用下，高分子輥皮可承受的應(yīng)力更小，高分子托輥使用壽命相應(yīng)延長。

3）高分子托輥與鋼制托輥相比較，具有更良好的動(dòng)態(tài)特性，擁有更寬的固有頻率范圍，能夠更有效地避免與托輥結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生共振，來適應(yīng)托輥轉(zhuǎn)速更高的工況，因其本身具有良好材料性能，可以極大緩解輥皮變形對(duì)軸承的壓迫，減緩軸承故障的頻率，提高軸承的使用壽命。